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Bitte beziehen Sie sich beim Zitieren dieses Dokumentes immer auf folgende
URN: urn:nbn:de:bsz:25-opus-84842
URL: http://www.freidok.uni-freiburg.de/volltexte/8484/


Kühn, Susanne

First measurement of the Z/gamma*->tautau cross section in proton-proton collisions at sqrt(s) = 7 TeV with the ATLAS experiment at the LHC

Erste Messung des Z/gamma*->tautau Wirkungsquerschnittes in Proton-Proton-Kollisionen bei einer Schwerpunktsenergie von sqrt(s)=7 TeV mit dem ATLAS-Experiment am LHC

Dokument1.pdf (7.421 KB) (md5sum: 28167f70c51d6cdf3b0aa014adfaf7ef)

Kurzfassung in Englisch

The re-discovery of the W and Z bosons and the measurement of their production cross sections at the LHC are important steps towards new physics discoveries. In this thesis a first measurement of the production cross section of the process pp->Z/gamma*->tautau with the ATLAS experiment at a centre-of-mass energy of sqrt(s)=7 TeV has been performed. The Z/gamma*->tautau production cross section is measured using all data collected in 2010 corresponding to an integrated luminosity of 36 pb^-1. The tau leptons can either decay hadronically (tau_h) or leptonically (tau_l) to muons or electrons. The Z/gamma*->tautau process is an important reference process since tau leptons play a major role in searches for the Higgs boson. The selection and cross section measurement of the Z/gamma*->tautau->tau_lnunutau_hnu final states comprises the main part of this thesis.
Together with the Z/gamma*->tautau->tau_ltau_l+4nu final states, a combined measurement of the Z/gamma* cross section times branching fraction to two tau leptons in an invariant tautau mass range (denoted as m_inv) of 66<m_inv<116 GeV is achieved. The combined result takes into account correlations between the uncertainties in the various final states and is sigma(Z/gamma*->tautau, 66<m_inv<116 GeV) = (0.97+-0.07(stat)+-0.06(syst)+-0.03(lumi)) nb.
This value is in very good agreement with the theoretical predicted cross section of 0.96+-0.05 nb calculated at next-to-next-to-leading order. It allows a test of the lepton universality by comparing with cross section results in Z/gamma*->ee and Z/gamma*->mumu final states.

In a second part of this thesis silicon strip detectors are investigated for an upgrade of the ATLAS silicon strip detector. After several years of running the LHC, an increase of the instantaneous luminosity by a factor of ten is foreseen at a centre-of-mass energy of 14 TeV.
Because of radiation damage the current silicon detectors in the ATLAS experiment cannot withstand fluences of up to 1x10^15 1-MeV-equivalent neutrons (Neq)/cm^2 which are expected in the strip detector regions at the upgraded LHC. In this thesis one candidate sensor technology is investigated for the tracker upgrade of the ATLAS experiment: 3D Single Type Column strip detectors.
Measurements of the characteristics of these sensors and a comparison of the results
before and after irradiation to fluences expected at the upgraded LHC make it possible to quantify the radiation-induced performance degradation.


Kurzfassung in Deutsch

Die Wiederentdeckung der W- und Z-Boson und die Messung deren Produktionswirkungsquerschnitte am LHC sind wichtige Schritte für die Entdeckung neuer Physik. In dieser Dissertation wurde die erste Messung des Produktionswirkungsquerschnittes des Prozesses pp->Z/gamma*->tautau am ATLAS-Experiment bei einer Schwerpunktsenergie von sqrt(s)=7 TeV durchgeführt. Der Z/gamma*->tautau Produktionswirkungsquerschnitt wurde mit allen gesammelten Daten des Jahres 2010, die einer integrierten Luminosität von 36 pb-1 entprechen, gemessen. Die Tau-leptonen können dabei entweder hadronisch (tau_h) oder leptonisch (tau_l) zu Myonen oder Elektronen zerfallen. Der Prozess Z/gamma*->tautau ist ein wichtiger Referenzprozess, da Tau-leptonen eine sehr wichtige Rolle bei der Suche nach dem Higgs-Boson spielen. Der Hauptteil der Arbeit umfasst die Selektion und die Messung des Wirkungsquerschnitts in den Endzuständen Z/gamma*->tautau->tau_lnunutau_hnu.
Eine kombinierte Messung des Z/gamma* Wirkungsquerschnittes im Zerfall nach zwei Tau-leptonen innerhalb des invarianten Massenfensters der Tau-leptonen (genannt m_inv) von 66<m_inv<116 GeV wird durch die zusätzliche Berücksichtigung der Z/gamma*->tautau->tau_ltau_l+4nu Endzustände erreicht.
Das kombinierte Ergebnis berücksichtigt Korrelationen zwischen den Unsicherheiten der verschiedenen Endzustände und ist sigma(Z/gamma*->tautau, 66<m_inv<116 GeV) = (0.97+-0.07(stat)+-0.06(syst)+-0.03(lumi)) nb. Dieser Wert stimmt sehr gut mit dem in next-to-next-to-leading Ordnung theoretisch vorhergesagten Wirkungsquerschnitt von 0.96+-0.05 nb überein. Durch den Vergleich mit Ergebnissen von Wirkungsquerschnittsmessungen in den Endzuständen Z/gamma*->ee und Z/gamma*->mumu ermöglicht die Messung einen Test der Leptonuniversalität.

Im zweiten Teil der Dissertation werden Siliziumstreifendetektoren für den Upgrade des ATLAS-Siliziumstreifendetektors untersucht. Nach einigen Betriebsjahren des LHC ist eine Erhöhung der integrierten Luminosität um einen Faktor zehn bei einer Schwerpunktsenergie von 14 TeV vorgesehen. Die momentan im ATLAS-Experiment eingebauten Siliziumdetektoren können aufgrund der Strahlenschäden bei den erwarteten auftretenden Flüßen von bis zu 1x1015 1-MeV-äquivalent Neutronen (Neq)/cm2 nicht mehr betrieben werden. In dieser Arbeit wird eine mögliche Sensortechnologie für den Upgrade des ATLAS-Spurdetektors untersucht: 3D Single Type Column strip detectors. Messungen der charakteristischen Größen dieser Sensoren und der Vergleich vor und nach Bestrahlungen mit Dosen, wie sie am upgegradeten LHC erwartet werden, ermöglichen es die strahlungsinduzierte Verschlechterung der Detektoren zu quantifizieren.


SWD-Schlagwörter: CERN , LHC , Z-Boson , Elektroschwache Wechselwirkung , Standardmodell <Elementarteilchenphysik> , Wirkungsquerschnitt , Siliciumhalbleiter
Freie Schlagwörter (deutsch): 3D-Detektor , Halbleiterdetektor
Freie Schlagwörter (englisch): ATLAS Experiment , CERN , Standard Model , Z boson , cross section , silicon 3D-detector
PACS Klassifikation 14.60.Fg , 13.38.Dg , 13.85Qk , 29.40.Wk , 14.70.Hp
Institut: Physikalisches Institut
Fakultät: Fakultät für Mathematik und Physik
DDC-Sachgruppe: Physik
Dokumentart: Dissertation
Erstgutachter: Jakobs, Karl (Prof. Dr.)
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 10.02.2012
Erstellungsjahr: 2012
Publikationsdatum: 27.02.2012
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